全电缆贯通线单相接地故障相关分析

2012-09-22刘小明

电气技术 2012年10期

刘小明

（杭州铁路设计院有限责任公司，杭州 310006）

电力贯通线路对铁路沿线负荷供电，具有线路长、敷设环境复杂、供电负荷等级高等特点。为提高供电可靠性，减少不利自然条件、污秽环境等对线路运行影响，客运专线铁路电力贯通线路普遍采用电缆敷设方式，但由于电缆结构特性，出现内过电压、继电保护、通信线路干扰、人身安全等技术问题。单相接地故障分析、计算可为上述问题的解决提供基本依据，也是确定供电方案重要的基本分析要素。

1 单相接地电容电流与系统中性点接地方式的选择

单相接地是电网常见的主要故障，单相接地电容电流的大小，是系统中性点接地方式选择的重要依据之一。单相接地电容电流较小的系统，暂时性弧光接地电流故障后电弧会自动熄灭，系统能恢复正常。当超过一定数值，故障会形成间歇性不稳定电弧，导致系统内电感电容元件之间的电磁振荡，造成弧光接地过电压，可能危及设备绝缘，引起相间短路，扩大事故。目前限制弧光过电压的有效措施是采用中性点经消弧线圈和经电阻接地方式。

《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620—1997）3.1.2条：“3～10kV不直接连接发电机的系统和35kV、66kV系统，当单相接地电容电流不超过下列数值时，应采用不接地方式；当超过下列又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。

1）3～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，10A。

2）3～10kV非钢筋混凝土或非金属杆塔的架空线路构成的系统，当电压为。

（1）当电压为3kV和6kV时，30A。

（2）当电压为10kV时，20A。

3）3～10kV电缆线路构成的系统，30A”。

其3.1.4条还规定：“6～35kV主要由电缆线路构成的送配电系统，单相接地故障电容电流较大时，可采用低电阻接地方式。但应考虑供电可靠性要求，故障时瞬态电压、电流对电气设备的影响、对通信的影响和继电保护技术要求以及本地的运行经验”。

铁路贯通线路长度一般在30～60km之间，全部采用电缆，线路分布电容电流值较大，采用低电阻接地方式，可克服消弧线圈补偿容量大、选线正确率不易保证、电缆不易长时间带故障运行、过电压幅值较高等问题。

2 单相接地故障电流的计算

经低电阻接地贯通线属中性点有效接地系统，单相接地为不对称故障，采用对称分量法分析。图1为贯通线简化接线图，其简化正序网络、负序网络、零序网络如图2（a）、（b）、（c）所示。

图1 全电缆贯通线简化电路接线图

图2 正序网络、负序网络和零序网络

图中各阻抗取值考虑因素：

1）系统电抗 Xs取决于接引电源的系统短路容量，一般可视为无穷大，等值阻抗为零；但电源接引点为中小变配电所，系统电抗不可忽略。

2）贯通调压器容量较低，阻抗对短路电流有影响，按照选用调压器电气参数计算各序阻抗。由于兼顾中性点接地方式，调压器绕线组别选用Dyn11，馈电侧中性点可直接经低电阻接地，零序电流可经故障接地点→电缆线路→调压器二次星形绕组→接地低电阻构成通路。调压器一次△绕组，零序电流仅绕组内流通，电源侧不受影响，无零序电抗。

3）全电缆贯通线选用非励磁铠装单芯电缆，电缆根据厂家提供电气参数及敷设方式计算各序电抗。计算时应注意故障点发生处与电源距离，距离短，影响小，距离长影响值较大。

4）并联电抗器一般采用分散布置方式，补偿线路电容充电效应。电抗器采用三角形连接，发生单相接地故障不流通零序电流，正序及负序电流又为对称分量，对接地故障电流不构成影响，在各序网络图中不计电抗值。

5）接地故障点过渡电阻，接地故障多发生在电缆头等绝缘薄弱处，大多可形成金属性短路，过渡电阻可忽略。

图3 单相短路复合序网

图4 复合序网简化图

单相接地故障产生的短路电流大部分由故障点经故障线路流向电源，非故障线路的容性电流相对很小。短路电流的大小主要是由零序阻抗决定，而零序阻抗主要取决中性点低电阻的阻值。电路中调压器阻抗、电缆阻抗、故障位置及过渡电阻有一定影响关系。

3 单相接地故障的保护

电缆线路发生接地故障难以恢复，需要快速切除故障线路，《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》（GB/T 50062—2008）5.0.4条明确规定：“3～10kV经低电阻接地单侧电源线路，除应配置相间故障保护外，还应配置零序电流保护。零序电流保护应设二段，第一段应为零序电流速断保护，时限应与相间保护相同；第二段应为零序过电流保护，时限应与相间过电流保护相同。当零序电流速断保护不能满足选择性要求时，也可配置两套过电流保护。零序电流可取自三相电流互感器组成的零序电流滤过器，也可取自加装的独立零序电流互感器，应根据接地电阻阻值、接地电流和整定值大小确定”。

铁路贯通线考虑对通信干扰，一般限制零序电流为400～600A，零序电流速断保护动作电流按满足灵敏系数2.0，Ⅰ段动作电流应取贯通线末端3倍最大零序电流值 Ixd01=k I0max（k取 1.2～1.3），时限取 0.1～0.2s。零序Ⅱ段保护动作电流按躲开其他线路故障时，本线路流过的对地电容电流，取值20～40A，时限取 t=0.5～1.0s。中性点电阻器柜同样安装一套零序保护装置，保护也设为二段，作用于调压器受电断路器跳闸。Ⅰ段与由贯通馈出线路最大零序Ⅰ段动作电流配合，Id01=kpIxd01，配合系数kp取1.2～1.3，作为贯通母线接地的主保护，时限较线路Ⅰ段△t=0.3s。Ⅱ段保护与贯通馈出Ⅱ段保护配合，动作电流按调压器所带全部贯通馈出正常对地电容电流值之和整定，时限与贯通馈出零序Ⅱ段保护极差△t=0.3～0.5s。

4 单相接地故障对通信线路的影响

全电缆贯通线经低电阻接地，发生单相接地等不对称短路故障时，产生很大的零序电流，通过电磁感应、静电感应和地电流几方面对通信线路产生危险影响和干扰影响。危险影响是指强电线路在通信线路上产生的感应电压和电流足以影响维护人员、使用电信人员的健康、甚至危及生命安全，或损坏通信设备，引起机房火灾或铁路信号装置的错误动作等。干扰影响是指通信线路上由于强电线路所产生的感应电压或电流足以破坏通信设备的正常工作，在电话回路中形成杂音、数字传输失真、图像传真模糊不清等方面影响。

通信线路一般以短路电流感应的危险电压和强电线路正常负荷电流感应电压矢量和的纵电压这两个指标来衡量影响程度[2]。

危险电压E1=jαπfMLI1k1k2其中：M为电力电缆与通信电缆的互感；L为电力电缆与通信电缆的平行距离；I1为通过电缆导体的单相短路电流；k1为电力电缆对故障电流屏蔽系数；k2为综合屏蔽系数。

纵电压E2=其中：E2L为负荷电流感应的纵电压；E2S为以大地为回路电缆金属护套电流感应的纵电压；E20为零序电流感应的纵电压。

按国际电报和电话咨询委员会（CCITT）和国标《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》（GB 6830—1986）规定：纵电压不得超过 60V；危险电压如能在0.2s之内切断故障电流不得超过430V，否则不得超过300V。

为减少单相接地故障电流对通信线路的影响，从单芯电缆排列、限制单相短路电流，增大与弱电线路的距离，选用屏蔽电缆和接地等几种措施，降低危险电压和纵电压。

5 供电点高压单相接地故障对低压系统的影响

全电缆贯通线供电负荷点多采用箱式或变电所与建筑物合建方式，功能接地与保护接地共用，若所内高压侧发生接地故障，合用接地极流过大接地故障电流，出现高故障电压，沿低压PE或PEN传导至用电设备外壳带危险接触电压如图5所示。

图5 故障电压传导示意图

这种故障电压可能引起：①低压系统对地电位普遍升高，它可能导致低压设备绝缘击穿；②低压系统外露可导电部分对地电位普遍升高，往往导致故障和接触电压。为此《交流电气接地装置》规定，配电变压器在建筑物外，高压侧工作于低电阻接地系统下，低压系统不得与电源配电变压器的保护接地共用接地装置；配电变压器在建筑物内，高压侧工作于低电阻接地系统，当变压器的保护接地装置电阻符合 R≤2000/I的要求，且建筑物内总等电位联结时，低压系统电源接地点可与该变压器保护接地共用接地装置（按IEC要求R≤（1200+U0）/I）。

由于高铁空间限制，即使利用箱变，低压系统单独设置接地非常困难，箱变仅能利用共用接地装置，做好箱变及箱变周围地带 3m范围内（考虑伸臂范围）的等电位联结。低压接地系统应采用 TT系统，防止故障电压传导至用电设备金属外壳；还需要尽量降低RB的阻值，限制短路电流Id的数值，故障电压幅值限制在IEC规定的Uf＜1200+U0（V）内，避免故障电压造成绝缘击穿事故。